城市綠色空間的冷島效應(yīng)與土地存量調(diào)控研究進(jìn)展*

陳燕紅 蔡芫鑌

(1.福州大學(xué)至誠學(xué)院，福建 福州 350002；2.福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州 350116)

目前，中國的城鎮(zhèn)化水平已經(jīng)達(dá)到了前所未有的高度。據(jù)測算，中國的城鎮(zhèn)化率將從2015年的56.10%上升到2030年的70%。城鎮(zhèn)化在改變下墊面性質(zhì)的同時(shí)，也帶來一系列的熱環(huán)境問題。如何解決城市熱環(huán)境問題已引起國內(nèi)外許多學(xué)者的關(guān)注，并逐步成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一[1]。

城市綠色空間作為“山水林田湖草”的典型代表，是“生態(tài)文明”和“美麗中國”建設(shè)的綠色載體，它在緩解城市高溫?zé)崂朔矫姘缪葜鴺O其重要的角色，既表征了城市持續(xù)發(fā)展水平，又能有效規(guī)避城市無序發(fā)展，提高城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。城鎮(zhèn)化的進(jìn)程也給城市綠色空間帶來了前所未有的影響與脅迫，使其成為一種稀缺環(huán)境資源，導(dǎo)致城市生態(tài)環(huán)境趨向惡化，嚴(yán)重制約了區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。只有通過對城市綠色空間存量進(jìn)行定量分析，合理規(guī)劃，才能有效發(fā)揮城市綠色空間的生態(tài)服務(wù)功能[2]。因此，在十分有限的區(qū)域內(nèi)合理規(guī)劃與優(yōu)化城市綠色空間，對其存量進(jìn)行有效調(diào)控，從而較好地緩解城市熱環(huán)境問題，建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)宜居城市，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[3]。

本文從城市綠色空間內(nèi)涵與信息提取、冷島效應(yīng)分析和土地存量調(diào)控研究三個(gè)方面，對城市綠色空間的冷島效應(yīng)與土地存量調(diào)控研究展開綜述。

1 城市綠色空間內(nèi)涵與提取研究進(jìn)展

1.1 城市綠色空間的內(nèi)涵

城市綠色空間屬于自然或半自然條件下的土地利用/覆蓋類型，是城市環(huán)境的基本組成要素之一，在保護(hù)城市生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮了重要作用。國內(nèi)外學(xué)者對城市綠色空間的內(nèi)涵理論研究從城市開放空間到開放綠色空間，最后才到城市綠色空間。但其準(zhǔn)確的概念一直未明確，不同領(lǐng)域的研究學(xué)者對綠色空間的認(rèn)識和定義也不盡相同。建筑規(guī)劃學(xué)者認(rèn)為城市綠色空間是城市空間的組成部分，其內(nèi)涵等同于城市開放空間和城市開放綠色空間[4]。景觀建筑學(xué)者則將建設(shè)用地之外覆蓋植被的，能夠?yàn)橹苓吘用裉峁┬蓍e娛樂，并能為維持生物多樣性和維護(hù)物種平衡提供生境的地方視為綠色空間，它既屬于城市地域空間，又具備多種社會性服務(wù)功能[5]。生態(tài)學(xué)領(lǐng)域?qū)W者則認(rèn)同城市綠色空間是城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在提供各種生態(tài)服務(wù)功能的同時(shí)，還對城市地表熱環(huán)境具有一定的緩解作用，是城市綠色空間關(guān)鍵的資源載體之一，具體涵蓋城市中的綠色廊道、園林、濱水綠地、森林、農(nóng)業(yè)以及立體式的空間綠化等綠色空間網(wǎng)絡(luò)[3]。而地理學(xué)者則主要從地理空間分布的視角分析城市綠色空間的特征及其社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)功能，認(rèn)為城市中的農(nóng)林、園林等綠地和河流、濕地等用地類型均屬于城市綠色空間范疇。

1.2 城市綠色空間的提取

當(dāng)前，關(guān)于綠色空間信息提取技術(shù)方面，遙感技術(shù)因其宏觀、實(shí)時(shí)、快速等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用。從國外研究來看，眾多學(xué)者運(yùn)用遙感手段提取城市綠色空間，并獲得了較好的結(jié)果。提取方法上，可劃分為植被指數(shù)、主成分分析、分類后對比、影像差值/比值、多時(shí)相復(fù)合和變換向量分析等方法。應(yīng)用案例上，大部分體現(xiàn)對大中城市綠色空間的監(jiān)測與提取[6]。國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚，主要針對大中城市綠色空間信息的提取。主要集中在以南京、上海、廣州和福州為案例，從宏觀和微觀相結(jié)合的角度，將遙感技術(shù)應(yīng)用于城市綠色空間。技術(shù)上則有卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遙感結(jié)合地面調(diào)查等，為城市綠色空間的調(diào)查提供了切實(shí)可行的新技術(shù)。

2 城市綠色空間冷島效應(yīng)研究進(jìn)展

2.1 城市綠色空間的冷島效應(yīng)差異

眾所周知，城市綠色空間對城市熱島具有顯著的緩解作用。當(dāng)前研究普遍聚焦于不同的城市綠色空間類型(如綠地、草地和水體等)所產(chǎn)生的冷島效應(yīng)及其影響等方面[5,7,8]。

從國外研究來看，Nichol通過對比不同綠色空間類型的地表溫度發(fā)現(xiàn)，綠地相較于其他用地類型具有最低的地表溫度，且與周邊不透水面的溫差高達(dá)1.5～2℃[9]。Decletbarreto等模擬不同情景發(fā)現(xiàn)，有冠層的植被對周圍的降溫和潛在降溫效果不同，最高溫差分別達(dá)到1.9 ℃和8.4 ℃[10]。Gioia等對比了植被、斑塊對地表溫度的影響發(fā)現(xiàn)，綠地面積與冷島效果成正比，與周邊溫差可達(dá)1.5～2.8 ℃[11]。Amani-Beni等通過分析林地和水體的冷島效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，二者能起到降溫作用的不透水面積比分別為6.51%和12.82%；且綠化率和冷島的距離對地表溫度均呈正效應(yīng)[12]。

從國內(nèi)研究來看，佟華等分析發(fā)現(xiàn)楔形綠地具有較好的降溫作用，且與地表風(fēng)速和綠地間距密切相關(guān)[13]。雷江麗等結(jié)合遙感影像反演地溫和實(shí)測地溫的方法，對比綠地斑塊的特征與冷島效應(yīng)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)形狀指數(shù)的相關(guān)關(guān)系顯著高于周長和面積[14]。Sun和Chen分別以北京的水體為研究對象，分析發(fā)現(xiàn)水體的冷島強(qiáng)度最高可達(dá)5.84℃，其降溫最遠(yuǎn)距離可達(dá)水體2500m[15]。濕地的冷島效應(yīng)方面，有學(xué)者開展了濕地的小氣候調(diào)節(jié)功能研究，試圖為緩解熱島效應(yīng)提供科學(xué)依據(jù)。從全球尺度來看，雖然濕地的小氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)功能具有一定的局地性，但已有研究發(fā)現(xiàn)大面積的濕地分布，將對全球氣候的變化起到較為顯著的作用[16]。

2.2 城市綠色空間冷島效應(yīng)的影響因素

當(dāng)前，城市綠色空間冷島效應(yīng)的影響因素研究主要從綠色空間的內(nèi)部因素與外圍環(huán)境影響兩方面展開。

從國外研究來看，城市綠色空間冷島效應(yīng)的影響因素研究已獲得較多的成果，體現(xiàn)在綠地面積、植物群落結(jié)構(gòu)以及景觀格局的影響[7,10,17]。Decletbarreto等研究發(fā)現(xiàn)，植被覆蓋以及不同的空間位置對其冷島效應(yīng)均具有一定的影響[10]。Gioia等發(fā)現(xiàn)，影響地表溫度大小的因素主要為植被種類和斑塊面積[11]。Tran等肯定了城市下墊面的景觀組成與變化會影響地溫[18]。Amani-Beni等探討北京奧林匹克森林公園的冷島效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，綠化率、綠色空間的面積占比以及與冷點(diǎn)的距離均是影響降溫能力的重要因素[12]。Muhammad等研究發(fā)現(xiàn)，景觀格局的組成比分布在決定區(qū)域地表溫度上更為重要[19]。

從國內(nèi)研究來看，多數(shù)研究集中在對公園綠地和水體的景觀格局指數(shù)和景觀配置方面。余兆武等從公園綠地的角度出發(fā)，指出綠地的面積、類型和配置等景觀格局指數(shù)均能對綠地的冷島產(chǎn)生正效應(yīng)[20]。Sun等人研究發(fā)現(xiàn)，水體的降溫強(qiáng)度與水體面積呈正相關(guān)[21]。余兆武綜合分析了藍(lán)綠空間冷島效應(yīng)的影響因素，關(guān)注點(diǎn)亦為形狀、面積占比和距離等景觀指數(shù)[20]。仇寬彪等明確了公園水體面積占比對地溫呈負(fù)相關(guān)作用，與不透水面積占比呈冪指數(shù)關(guān)系，而植被面積占比則表現(xiàn)出不顯著關(guān)系。

從國內(nèi)外城市綠色空間的冷島效應(yīng)研究進(jìn)展可以看出，當(dāng)前的研究重點(diǎn)主要集中在對城市綠色空間類型的變化及其所帶來的環(huán)境影響，未厘清綠色空間本身的演化特征及其對地表溫度變化產(chǎn)生的影響特性，從而無法獲得相應(yīng)的演化閾值及驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

3 城市土地存量調(diào)控研究進(jìn)展

當(dāng)前，普遍認(rèn)為城市土地空間的存量調(diào)控是通過更新局部空間來優(yōu)化整體土地空間結(jié)構(gòu)功能，即如何使已有“色塊”變得更為合理[22-23]。

從國外研究來看，發(fā)達(dá)國家的成果較多。美國城市土地空間的存量調(diào)控始于1986年，先后出臺了《超級基金修訂與再授權(quán)法》等一系列新法律，并推出資金和稅收優(yōu)惠政策，推動(dòng)棕地開發(fā)，成為土地存量規(guī)劃調(diào)控的成功范例。而英國城市土地空間的存量規(guī)劃始于變革，即中上層階級先向工薪階層社區(qū)遷入，后再從中心城區(qū)遷出[24]。日本1919年頒布的《城市規(guī)劃法》首次在法律層面上給予土地重劃的地位[25]。同時(shí)，國外學(xué)者還關(guān)注于城市下墊面土地利用/覆蓋變化及其優(yōu)化調(diào)控研究，以期實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。例如，有學(xué)者通過比對25年時(shí)間尺度的航拍照片，發(fā)現(xiàn)了樣地內(nèi)城鎮(zhèn)化擴(kuò)展與綠色空間數(shù)量之間的關(guān)系，填補(bǔ)了該地區(qū)可持續(xù)性城市發(fā)展進(jìn)程信息的空白[26]；也有學(xué)者通過構(gòu)建集約化空間，探討可持續(xù)發(fā)展的城市土地規(guī)劃調(diào)控的新模式[27-28]。

從國內(nèi)研究來看，由于國情、文化和社會背景與西方國家存在差異，不能照抄國外模式，而要積極探索符合我國國情的實(shí)踐新模式[29]，目前已經(jīng)取得了較多成果。具體表現(xiàn)在：從城市土地存量空間的影響和互促等角度，探究了城市化與土地規(guī)劃調(diào)控的關(guān)系[30]；從綜合全面的視角，討論了城市化和土地空間存量狀態(tài)的評價(jià)指標(biāo)與測度方法[31-34]；從構(gòu)建土地存量指標(biāo)體系角度，科學(xué)評估了中國各省城市化與土地存量狀態(tài)的協(xié)調(diào)程度[35]；從中國存量土地再開發(fā)的歷史和現(xiàn)狀出發(fā)，提出土地從增量擴(kuò)張向存量調(diào)控的策略，以期為中國城市土地空間存量規(guī)劃設(shè)計(jì)與調(diào)控提供借鑒[36]。

綜上可知，城市綠色空間存量調(diào)控是土地存量調(diào)控中一個(gè)新的研究方向。然而，當(dāng)前對城市綠色空間存量的基礎(chǔ)研究及其狀態(tài)的評估缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)與借鑒，亟待后續(xù)結(jié)合實(shí)際深入探討。

4 現(xiàn)有研究存在的不足與展望

城市綠色空間的冷島效應(yīng)與土地存量調(diào)控研究不僅擴(kuò)展了城市綠色空間動(dòng)態(tài)演化的研究內(nèi)容，有效指導(dǎo)城市綠色空間存量調(diào)控建設(shè)，還能為同類研究和規(guī)劃實(shí)踐提供借鑒。但現(xiàn)有研究仍存在以下不足。

在城市綠色空間的信息提取方面，遙感影像是獲取長時(shí)間土地利用/覆蓋變化，預(yù)測未來動(dòng)態(tài)變化的重要技術(shù)手段。而我國對城市綠色空間的研究大多集中于某一具體的綠色空間類型，較少從城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中綠色空間的類型、演化方式、演化過程等方面全局探討其對城市小氣候的影響，較難形成全面、完整的體系。

在城市綠色空間的冷島效應(yīng)方面，城市的水體、綠地、濕地等綠色空間均對城市熱島效應(yīng)具有一定的緩解和改善作用。然而，現(xiàn)有研究大多數(shù)圍繞定性評價(jià)城市下墊面不同土地利用/覆蓋類型的降溫作用，而針對不同城市綠色空間類型及其復(fù)雜的綜合演化所引起的冷島效應(yīng)差異的定量研究則較少。

在城市綠色空間冷島效應(yīng)的影響因素方面，城市綠色空間景觀格局指數(shù)與冷島效應(yīng)之間存在一定關(guān)系。通過對城市復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)中的綠色空間景觀類型研究，能夠進(jìn)一步表征城市地表熱環(huán)境的變化，更有效地應(yīng)對日益嚴(yán)重的城市熱島效應(yīng)。當(dāng)前，對城市某一特定景觀類型冷島效應(yīng)的相關(guān)研究，國內(nèi)外尚處初探階段，仍需進(jìn)行大量的分析與實(shí)證。

在城市土地存量調(diào)控研究方面，現(xiàn)有研究不僅深化了城市化發(fā)展過程中土地利用與存量調(diào)控的內(nèi)涵與認(rèn)識，還為未來研究提供了較好的基礎(chǔ)。但是，城市化進(jìn)程中受影響的城市綠色空間與城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)之間的復(fù)雜性和空間配置關(guān)系，以及如何從城市綠色空間可持續(xù)發(fā)展角度構(gòu)建土地規(guī)劃調(diào)控的指標(biāo)體系，還需要作進(jìn)一步研究。

今后，隨著科研手段和方法的不斷進(jìn)步，基于多學(xué)科、多尺度、多角度系統(tǒng)研究城市綠色空間的時(shí)空動(dòng)態(tài)演化規(guī)律及特征，探究城市綠色空間冷島效應(yīng)的特點(diǎn)，分析冷島效應(yīng)的影響因素以及定量閾值范圍，實(shí)證城市綠色空間存量調(diào)控，將是未來城市綠色空間研究的主要趨勢。